EP0066904A1 - Switching amplifier - Google Patents

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EP0066904A1
EP0066904A1 EP82200509A EP82200509A EP0066904A1 EP 0066904 A1 EP0066904 A1 EP 0066904A1 EP 82200509 A EP82200509 A EP 82200509A EP 82200509 A EP82200509 A EP 82200509A EP 0066904 A1 EP0066904 A1 EP 0066904A1
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EP
European Patent Office
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amplifier
switching
diode
transformer
voltage source
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EP82200509A
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German (de)
French (fr)
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EP0066904B1 (en
Inventor
Andreas Furrer
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=4259012&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0066904(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of EP0066904A1 publication Critical patent/EP0066904A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/217—Class D power amplifiers; Switching amplifiers
    • H03F3/2175—Class D power amplifiers; Switching amplifiers using analogue-digital or digital-analogue conversion

Definitions

  • the present invention relates to a switching amplifier for analog LF signals, with an A / D converter which converts the analog LF signal into at least two pulse trains, and with at least two amplifier stages, each of which contains a transformer, the primary winding of which has a voltage source and whose secondary winding is connected to a diode cascade, and at least one switching element controlled by the pulse train for the current to be transmitted from the voltage source to the diode cascade, and to a low-pass filter connected to the diode cascade.
  • Switching amplifiers of the type described have a high efficiency, which is why they are used with particular advantage for amplifiers with high output power.
  • a switching amplifier is described in DE-OS 29 35 445, which is provided as a modulation amplifier for a radio transmitter.
  • this switching amplifier contains a plurality of amplifier stages arranged next to one another, each of which has two transformers, the primary windings of which can be connected to a DC voltage source via associated switching elements and the secondary windings of which are connected to a diode cascade.
  • the analog LF input signal to be amplified is converted in a known manner into two pulse trains, the permanently modulated pulses of which are phase-shifted by 180 °.
  • the impulses of every Im pulse trains control the switching element for one of the transformers in each amplifier stage.
  • the switching elements and transformers of each amplifier stage are switched on or excited once during each period of the A / D converter, and the switch-on or excitation time can be very short.
  • the known switching amplifier requires two transformers which can be switched on alternately in each amplifier stage for the two modes of operation described.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a switching amplifier whose amplifier stages require only one transformer and only one switching element for 100% modulation and whose transformer can also be excited during several successive periods of the A / D converter.
  • this object is achieved with a switching amplifier of the type mentioned, in which the primary winding of the transformer (in each amplifier stage) is connected to an AC voltage source and the amplifier stage contains a rectifier circuit connected to the secondary winding of the transformer and the at least one switching element between an output thereof Rectifier circuit and the diode cascade is connected.
  • the new switching amplifier makes it possible to reduce the number of transformers required for a given output power by half and the number of assigned switching elements to a quarter, thereby reducing both the material expenditure and the switching losses. Furthermore, a smaller low-pass filter can be used for the new switching amplifier, because no more two 180 ° phase-shifted pulses are generated during each conversion period or the pulses no longer have to be broken down into two partial pulses. Finally, the new switching amplifier also enables a better quality of the LF output signal, because the reduced number of switching processes also results in a reduction in the distortion factor and a reduction in noise.
  • the input terminal 10 for the analog LF input signal to be amplified is connected to the input of an A / D converter 11.
  • a memory 12 is connected downstream of the A / D converter, to which a controllable memory circuit 13, which has a plurality of outputs, is assigned.
  • a clock generator 14 is also provided, which supplies the clock pulses for converting the analog input signal into digital signals and for outputting the control signals.
  • the switching amplifier further contains a transformer 20, the primary winding 21 of which is connected to an AC voltage source 22.
  • the transformer has a plurality of secondary windings, of which only three secondary windings 23, 24, 25 are shown for the sake of simplicity.
  • Each secondary winding is connected to a rectifier circuit which consists of a one-way rectifier 27, 28 and 29, a series choke 31, 32 and 33 and a smoothing capacitor 35, 36 and 37, respectively.
  • One output of the rectifier circuit is connected to a controllable switching element 39, 40 or 41.
  • Each secondary winding forms with the associated rectifier circuit and the switching element an amplifier stage 43, 44 and 45, the outputs of which are connected to a diode cascade 47.
  • the diode cascade contains a diode 48, 49, 50 between the connections of each amplifier stage.
  • the end of the diode cask kade is connected to the output terminal 53 of the amplifier via a low-pass filter 52.
  • the memory circuit 13 contains a separate output for each of the amplifier stages, which is connected to the switching element of the associated amplifier stage by means of a signal line 55, 56 or 57.
  • the primary winding 21 of the transformer 20 is connected to the AC voltage source 22. Then an alternating voltage is induced in each secondary winding 23, 24, 25, which is rectified by the associated rectifier 27, 28 or 29 and charges the capacitor 35, 36 or 37 to the corresponding direct voltage.
  • the analog signal passed from the input terminal to the A / D converter 11 is sampled at predetermined time intervals and a digital signal corresponding to the instantaneous value of the amplitude is generated, which is stored in the memory 12.
  • the maximum convertible voltage value of the amplitude is divided into voltage ranges, the number of which is equal to the number of amplifier stages.
  • the digital output signal of the converter is then a number which is equal to the number of voltage ranges which correspond to the instantaneous value of the amplitude of the analog signal.
  • This digital signal sets in memory 12 an equal number of memory locations.
  • the latch circuit 13 periodically reads the memory stop and generates a switch-on signal for each set memory location, which is given to one of the signal lines 55, 56, 57 and passed to the corresponding switching element 39, 40 or 41.
  • At least one amplifier stage can be subdivided into further sub-stages, the output voltages of which are binary-weighted and which are driven by a corresponding, binary-coded signal from the memory circuit 13. In this way, the voltage levels occurring on the diode cascade and thus the ripple of the output signal due to the amplifier can be reduced.
  • the transformer can simply be connected to a technical AC voltage source can for example with 220 V / 50 Hz. But it is also possible to use a three-phase transformer for 380 V / 50 Hz. In the latter case, the primary and the secondary windings shown in FIG. 1 consist of three winding parts, and the rectifier device is accordingly designed as a three-phase rectifier.
  • the A / D converter 11 can be followed by an arithmetic unit which determines the difference between the instantaneous value of the amplitude of the analog input signal and the closest digital value formed from the voltage ranges and via the Withdrawal circuit 13 generates an additional, time-delayed control signal, the time delay of the determined difference being inversely proportional. It is particularly advantageous if only those switch-on or switch-off signals that correspond to the change in the analog input signal that has occurred in the meantime have been generated in the case of successive readout cycles. This enables the total number of switching operations and the associated switching losses to be significantly reduced. Such operating modes are described in the CH patent application mentioned at the outset, which is why their detailed discussion is dispensed with.
  • each of the further “floating" amplifier stages is at a higher voltage, the value of which is variable and depends on the number of amplifier stages switched on and the order number of the individual amplifier stages along the diode cascade.
  • the switching signals generated by the latch circuit have a constant voltage against the ground line, which is why the switching signals cannot be passed directly to the switching elements.
  • 2 shows an amplifier stage 60 and an arrangement designed as a photocoupler 61 for galvanically separating the signal line from the switching element.
  • the amplifier stage contains .. in accordance with the embodiments according to FIG.
  • a secondary winding 63 a rectifier 64, ei ne choke 65, a smoothing capacitor 66 and a switch 67.
  • the switch is a field effect transistor, the gate of which is connected to the photodiode 70 of the photocoupler.
  • the light-emitting diode 71 of the photocoupler is connected to a signal line 72.
  • a fiber light guide 73 can be used to transmit the light.
  • an amplifier can be connected between the photodiode and the switch if the output signal of the photodiode does not allow direct control of the switch.
  • the single-phase rectifier circuit shown in FIGS. 1 and 2 is simply designed as a one-way rectification. It goes without saying that a midpoint or double path circuit or a double path estimation circuit can also be used to reduce the ripple of the DC voltage.
  • a star or double-star rectifier circuit can also be used instead of the three-phase bridge rectifier also mentioned.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of an amplifier stage 80, the rectifier device of which is designed as a two-way rectifier for voltage doubling.
  • the rectifier device of which is designed as a two-way rectifier for voltage doubling.
  • one end of the secondary winding 81 is connected via two diodes 82, 83 connected in anti-parallel and associated chokes 84 and 85 with one of the two capacitors 87 and 88 and the other end of the secondary winding directly connected to the connection point 89 of the other terminals of the capacitors.
  • One connection of each capacitor is further connected via a switching element 91 or 92, and the connection point 89 of the other two capacitor connections is led directly to the diode cascade 93, which has a diode 94, 95 between the individual connections.
  • the single-phase rectifier device with two-way rectification shown can also be designed as a center circuit and for a three-phase transformer as a star or double star rectifier circuit.

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Abstract

1. Claims for the contraction states DE and GB Switching amplifier for analog LF signals, having an A/D converter (11) which converts the analog LF signal into at least two pulse sequences, and at least two amplifier states (42, 44, 45), each of which contains a transformer (20) the primary winding (21) of which is connected to a voltage source and the secondary winding of which is connected to a cascaded diode circuit, and at least one switching element, which is controlled by the pulse sequence, for the current to be transferred from the voltage source to the cascaded diode circuit, and a low-pass filter which is connected to the cascaded diode circuit, characterised in that the primary winding (21) of the transformer (20) is connected to an alternating-voltage source (22) and the amplifier stage (43, 44, 45) contains a rectifier circuit (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) which is connected to the secondary winding (23, 24, 25) of the transformer (20), that the rectifier circuit (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) is provided with at least two outputs, one of which is connected to the cascaded diode circuit (47) via the switching element (39, 40, 41) and the other one of which is directly connected to the cascaded diode circuit (47), and between the two connecting points at least one diode (50, 49, 48) is provided and that the transformers of the amplifier stages (43, 44, 45) are combined into one transformer (20) having a primary winding (21) and a number of secondary windings (23, 24, 25) which corresponds to the number of amplifier stages (43, 44, 45). 1. Claims Switching amplifier for analog LF signals, comprising an A/D converter (11) which converts the analog LF signal into at least two pulse sequences, and comprising at least two amplifier stages (43, 44, 45), each of which contains one transformer (20), the primary winding (21) of which is connected to a voltage source and the secondary winding of which is connected to a diode cascade, and contains at least one switching element, controlled by the pulse sequence, for the current to be transferred from the voltage source to the diode cascade, and comprising a lowpass filter which is connected to the diode cascade, characterised in that the primary winding (21) of the transformer (20) is connected to an alternating-voltage source (22) and the amplifier stage (43, 44, 45) contains a rectifier circuit (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) which is connected to the secondary winding (23, 24, 25) of the transformer (20), and that the rectifier circuit (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) is provided with at least two outputs, one of which is connected to the diode cascade (47) via the switching element (39, 40, 41) and the other one of which is connected directly to the diode cascade (47) and that between the two connection points at least one diode (50, 49, 48) is provided.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltverstärker für analoge NF-Signale, mit einem A/D-Wandler, der das analoge NF-Signal in mindestens zwei Impulsfolgen wandelt, und mit mindestens zwei Verstärkerstufen, von denen jede einen Transformator enthält, dessen Primärwicklung mit einer Spannungsquelle und dessen Sekundärwicklung mit einer Diodenkaskade verbunden ist, und mindestens ein von der Impulsfolge gesteuertes Schaltelement für den von der Spannungsquelle an die Diodenkaskade zu übertragenden Strom, sowie mit einem an die Diodenkaskade angeschlossenen Tiefpassfilter.The present invention relates to a switching amplifier for analog LF signals, with an A / D converter which converts the analog LF signal into at least two pulse trains, and with at least two amplifier stages, each of which contains a transformer, the primary winding of which has a voltage source and whose secondary winding is connected to a diode cascade, and at least one switching element controlled by the pulse train for the current to be transmitted from the voltage source to the diode cascade, and to a low-pass filter connected to the diode cascade.

Schaltverstärker der beschriebenen Art weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, weshalb sie mit besonderem Vorteil für Verstärker mit grosser Ausgangsleistung verwendet werden. Beispielsweise ist in der DE-OS 29 35 445 ein Schaltverstärker beschrieben, der als Modulationsverstärker für einen Rundfunksender vorgesehen ist. Dazu enthält dieser Schaltverstärker eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Verstärkerstufen, von denen jede zwei Transformatoren aufweist, deren Primärwicklungen über zugeordnete Schaltelemente mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar sind und deren Sekundärwicklungen an eine Diodenkaskade angeschlossen sind. Das zu verstärkende analoge NF-Eingangssignal wird in bekannter Weise in zwei Impulszüge gewandelt, deren dauermodulierte Impulse um 180° phasenverschoben sind. Die Impulse jedes Impulszugs steuern das Schaltelement für einen der Transformatoren in jeder Verstärkerstufe. Durch das damit bewirkte alternierende Erregen der beiden Transformatoren jeder Verstärkerstufe kann die Sättigung dieser Transformatoren vermieden und eine 100%ige Aussteuerung der Verstärkerstufen erreicht werden. Es versteht sich, dass bei dieser Betriebsweise während jeder Periode des A/D-Wandlers die Schaltelemente und Transformatoren jeder Verstärkerstufe einmal eingeschaltet bzw. erregt werden, wobei die Einschalt- bzw. Erregungsdauer sehr kurz sein kann.Switching amplifiers of the type described have a high efficiency, which is why they are used with particular advantage for amplifiers with high output power. For example, a switching amplifier is described in DE-OS 29 35 445, which is provided as a modulation amplifier for a radio transmitter. For this purpose, this switching amplifier contains a plurality of amplifier stages arranged next to one another, each of which has two transformers, the primary windings of which can be connected to a DC voltage source via associated switching elements and the secondary windings of which are connected to a diode cascade. The analog LF input signal to be amplified is converted in a known manner into two pulse trains, the permanently modulated pulses of which are phase-shifted by 180 °. The impulses of every Im pulse trains control the switching element for one of the transformers in each amplifier stage. As a result of the alternating excitation of the two transformers of each amplifier stage, the saturation of these transformers can be avoided and 100% control of the amplifier stages can be achieved. It is understood that in this mode of operation, the switching elements and transformers of each amplifier stage are switched on or excited once during each period of the A / D converter, and the switch-on or excitation time can be very short.

Um die Schaltverluste zu verringern, ist darum auch schon ein anderes Betriebsverfahren für Schaltverstärker vorgeschalgen worden (CH-Patentgesuch 992/81-2). Bei diesem Verfahren wird das analoge NF-Eingangssignal ebenfalls in einem A/D-Wandler periodisch abgetastet, und es werden eine dem Momentanwert der Amplitude des Analogsignals entsprechende Anzahl Impulse gleicher Dauer erzeugt. Jedem Impuls ist eine Verstärkerstufe zugeordnet, und jeder Impuls wird in zwei Teilimpulse zerlegt, die alternierend die mit den beiden Transformatoren dieser Verstärkerstufe zusammenwirkenden Schaltelemente steuern. Die zeitliche Dauer jedes Impulses bzw. Teilimpulses ist so gewählt, dass der Transformator während einer maximalen Dauer erregt wird, ohne in die Sättigung zu laufen. Bei diesem Betriebsverfahren werden während jeder Periode des A/D-Wandlers nur soviele Schaltelemente und Transformatoren eingeschaltet bzw. erregt, wie dem Momentanwert des Analogsignals entsprechen, was eine wesentliche Verringerung der Schaltverluste ermöglicht.In order to reduce the switching losses, another operating method for switching amplifiers has therefore already been proposed (CH patent application 992 / 81-2). In this method, the analog LF input signal is also sampled periodically in an A / D converter, and a number of pulses of the same duration corresponding to the instantaneous value of the amplitude of the analog signal are generated. An amplifier stage is assigned to each pulse, and each pulse is broken down into two sub-pulses which alternately control the switching elements interacting with the two transformers of this amplifier stage. The duration of each pulse or partial pulse is chosen so that the transformer is energized for a maximum duration without running into saturation. With this operating method, only as many switching elements and transformers are switched on or excited during each period of the A / D converter as correspond to the instantaneous value of the analog signal, which enables a significant reduction in switching losses.

Der bekannte Schaltverstärker benötigt für die beiden beschriebenen Betriebsweisen in jeder Verstärkerstufe zwei alternierend einschaltbare Transformatoren. Der dafür erforderliche Materialaufwand und die Schaltverluste sind um so grösser, je grösser die angestrebte Ausgangsleistung ist. Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, einen Schaltverstärker zu schaffen, dessen Verstärkerstufen für eine 100%ige Aussteuerung nur einen Transformator und nur ein Schaltelement benötigen und dessen Transformator auch während mehrerer aufeinanderfolgender Perioden des A/D-Wandlers erregt werden kann.The known switching amplifier requires two transformers which can be switched on alternately in each amplifier stage for the two modes of operation described. The greater the required output power, the greater the material requirements and the switching losses. The present invention is therefore based on the object of providing a switching amplifier whose amplifier stages require only one transformer and only one switching element for 100% modulation and whose transformer can also be excited during several successive periods of the A / D converter.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Schaltverstäker der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Primärwicklung des Transformators (in jeder Verstärkerstufe) mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist und die Verstärkerstufe eine an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene Gleichrichterschaltung enthält und das mindestens eine Schaltelement zwischen einem Ausgang dieser Gleichrichterschaltung und der Diodenkaskade angeschlossen ist.According to the invention this object is achieved with a switching amplifier of the type mentioned, in which the primary winding of the transformer (in each amplifier stage) is connected to an AC voltage source and the amplifier stage contains a rectifier circuit connected to the secondary winding of the transformer and the at least one switching element between an output thereof Rectifier circuit and the diode cascade is connected.

Der neue Schaltverstärker ermöglicht, die Anzahl der für eine vorgegebene Ausgangsleistung erforderlichen Transformatoren auf die Hälfte und die Anzahl der zugeordneten Schaltelemente auf ein Viertel zu reduzieren und damit sowohl den materiellen Aufwand als auch die Schaltverluste zu verringern. Weiter kann für den neuen Schaltverstärker ein kleineres Tiefpassfilter verwendet werden, weil während jeder Wandelperiode nicht mehr zwei um 180° phasenverschobene Impulse erzeugt bzw. die Impulse nicht mehr in zwei Teilimpulse zerlegt werden müssen. Schliesslich ermöglicht der neue Schaltverstärker auch eine bessere Qualität des NF-Ausgangssignals, weil die verringerte Anzahl der Schaltvorgänge auch eine Verkleinerung des Klirrfaktors und Verringerung des Rauschens zur Folge hat.The new switching amplifier makes it possible to reduce the number of transformers required for a given output power by half and the number of assigned switching elements to a quarter, thereby reducing both the material expenditure and the switching losses. Furthermore, a smaller low-pass filter can be used for the new switching amplifier, because no more two 180 ° phase-shifted pulses are generated during each conversion period or the pulses no longer have to be broken down into two partial pulses. Finally, the new switching amplifier also enables a better quality of the LF output signal, because the reduced number of switching processes also results in a reduction in the distortion factor and a reduction in noise.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des neuen Schaltverstärkers mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • Fig. 1 das vereinfachte Blockschaltbild einer Ausführungsform des neuen Schaltverstärkers und
  • Fig. 2 und 3 das Schaltbild einer ersten und einer zweiten Ausführungsform der Verstärkerstufe für den neuen Schaltverstärker.
A preferred exemplary embodiment of the new switching amplifier is described below with the aid of the figures. Show it:
  • Fig. 1 shows the simplified block diagram of an embodiment of the new switching amplifier and
  • 2 and 3 the circuit diagram of a first and a second embodiment of the amplifier stage for the new switching amplifier.

Bei der in Fig. 1 in einem stark vereinfachten Blockschaltbild gezeigten Ausführungsform eines Schaltverstärkers ist die Eingangsklemme 10 für das zu verstärkende analoge NF-Eingangssignal mit dem Eingang eines A/D-Wandlers 11 verbunden. Dem A/D-Wandler ist ein Speicher 12 nachgeschaltet, dem eine steuerbare Ausspeicherschaltung 13, die eine Mehrzahl Ausgänge aufweist, zugeordnet ist. Weiter ist ein Taktgenerator 14 vorgesehen, der die Zeittakte für die Wandlung des analogen Eingangssignals in digitale Signale und für die Ausgabe der Steuersignale liefert.In the embodiment of a switching amplifier shown in a highly simplified block diagram in FIG. 1, the input terminal 10 for the analog LF input signal to be amplified is connected to the input of an A / D converter 11. A memory 12 is connected downstream of the A / D converter, to which a controllable memory circuit 13, which has a plurality of outputs, is assigned. A clock generator 14 is also provided, which supplies the clock pulses for converting the analog input signal into digital signals and for outputting the control signals.

Der Schaltverstärker enthält weiter einen Transformator 20, dessen Primärwicklung 21 an eine Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen ist. Der Transformator weist mehrere Sekundärwicklungen auf, von denen der einfacheren Darstellung wegen nur drei Sekundärwicklungen 23, 24, 25 gezeigt sind. Jede Sekundärwicklung ist mit einer Gleichrichterschaltung verbunden, die aus einem Einweggleichrichter 27, 28 bzw. 29 einer in Serie geschalteten Drossel 31, 32 bzw. 33 und einem Glättungskondensator 35, 36 bzw. 37 besteht. Der eine Ausgang der Gleichrichterschaltung ist mit einem steuerbaren Schaltelement 39, 40 bzw. 41 verbunden. Jede Sekundärwicklung bildet mit der zugeordneten Gleichrichterschaltung und dem Schaltelement eine Verstärkerstufe 43, 44 bzw. 45, deren Ausgänge an eine Diodenkaskade 47 angeschlossen sind. Die Diodenkaskade enthält zwischen den Anschlüssen jeder Verstärkerstufe eine Diode 48, 49, 50. Das Ende der Diodenkaskade ist über ein Tiefpassfilter 52 mit der Ausgangsklemme 53 des Verstärkers verbunden.The switching amplifier further contains a transformer 20, the primary winding 21 of which is connected to an AC voltage source 22. The transformer has a plurality of secondary windings, of which only three secondary windings 23, 24, 25 are shown for the sake of simplicity. Each secondary winding is connected to a rectifier circuit which consists of a one-way rectifier 27, 28 and 29, a series choke 31, 32 and 33 and a smoothing capacitor 35, 36 and 37, respectively. One output of the rectifier circuit is connected to a controllable switching element 39, 40 or 41. Each secondary winding forms with the associated rectifier circuit and the switching element an amplifier stage 43, 44 and 45, the outputs of which are connected to a diode cascade 47. The diode cascade contains a diode 48, 49, 50 between the connections of each amplifier stage. The end of the diode cask kade is connected to the output terminal 53 of the amplifier via a low-pass filter 52.

Die Ausspeicherschaltung 13 enthält für jede der Verstärkerstufen einen getrennten Ausgang, der mittels einer Signalleitung 55, 56 bzw. 57 mit dem Schaltelement der zugeordneten Verstärkerstufe verbunden ist.The memory circuit 13 contains a separate output for each of the amplifier stages, which is connected to the switching element of the associated amplifier stage by means of a signal line 55, 56 or 57.

Zum Betrieb des beschriebenen Verstärkers wird die Primärwicklung 21 des Transformators 20 an die Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen. Dann wird in jeder Sekundärwicklung 23, 24, 25 eine Wechselspannung induziert, die vom zugeordneten Gleichrichter 27, 28 bzw. 29 gleichgerichtet wird und den Kondensator 35, 36 bzw. 37 auf die entsprechende Gleichspannung ladet.To operate the amplifier described, the primary winding 21 of the transformer 20 is connected to the AC voltage source 22. Then an alternating voltage is induced in each secondary winding 23, 24, 25, which is rectified by the associated rectifier 27, 28 or 29 and charges the capacitor 35, 36 or 37 to the corresponding direct voltage.

Für die weitere Beschreibung sei angenommen, dass alle Schaltelemente 39, 40, 41 ausgeschaltet sind und darum kein Strom von den Verstärkerstufen 43, 44 bzw. 45 zur Diodenkaskade 47 fliesst.For the further description it is assumed that all switching elements 39, 40, 41 are switched off and therefore no current flows from the amplifier stages 43, 44 or 45 to the diode cascade 47.

Das von der Eingangsklemme an den A/D-Wandler 11 geleitete Analogsignal wird in vorgegebenen zeitlichen Abständen abgetastet und dabei ein dem Momentanwert der Amplitude entsprechendes digitales Signal erzeugt, das in den Speicher 12 eingespeichert wird. Bei einer bevorzugten Betriebsweise wird der maximal wandelbare Spannungswert der Amplitude in Spannungsbereiche unterteilt, deren Anzahl gleich der Anzahl der Verstärkerstufen ist. Das digitale Ausgangssignal des Wandlers ist dann eine Zahl, die gleich der Anzahl der Spannungsbereiche ist, die dem Momentanwert der Amplitude des Analogsignals entsprechen. Dieses Digitalsignal setzt im Speicher 12 eine seiner Zahl gleiche Anzahl Speicherplätze. Die Ausspeicherschaltung 13 liest periodisch den Speicherinhalt aus und erzeugt für jeden gesetzten Speicherplatz ein Einschaltsignal, das auf eine der Signalleitungen 55, 56, 57 gegeben und an das entsprechende Schaltelement 39, 40 bzw. 41 geleitet wird.The analog signal passed from the input terminal to the A / D converter 11 is sampled at predetermined time intervals and a digital signal corresponding to the instantaneous value of the amplitude is generated, which is stored in the memory 12. In a preferred mode of operation, the maximum convertible voltage value of the amplitude is divided into voltage ranges, the number of which is equal to the number of amplifier stages. The digital output signal of the converter is then a number which is equal to the number of voltage ranges which correspond to the instantaneous value of the amplitude of the analog signal. This digital signal sets in memory 12 an equal number of memory locations. The latch circuit 13 periodically reads the memory stop and generates a switch-on signal for each set memory location, which is given to one of the signal lines 55, 56, 57 and passed to the corresponding switching element 39, 40 or 41.

Auf diese Weise wird eine dem Momentanwert der Amplitude des Analogsignals entsprechende Anzahl Schaltelemente ein-und die an den zugeordneten Kondensatoren liegenden Gleichspannungen längs der Diodenkaskade in Serie geschaltet. Dabei entsteht für die Zeitspanne zwischen zwei Schalttakten über der Diodenkaskade eine Spannung, die der Summe der im A/D-Wandler bestimmten Spannungsbereiche des analogen Eingangssignals proportional ist. Die beim Ein-und Ausschalten von Schaltelementen über der Diodenkaskade entstehenden Spannungssprünge werden vom Tiefpassfilter 52 ausgeglichen, so dass an der Ausgangsklemme 53 ein Analogsignal erscheint, das dem verstärkten Eingangssignal entspricht.In this way, a number of switching elements corresponding to the instantaneous value of the amplitude of the analog signal is switched on and the direct voltages applied to the assigned capacitors are connected in series along the diode cascade. This creates a voltage for the period between two switching cycles across the diode cascade, which is proportional to the sum of the voltage ranges of the analog input signal determined in the A / D converter. The voltage jumps that occur across the diode cascade when switching elements on and off are compensated for by the low-pass filter 52, so that an analog signal appears at the output terminal 53 which corresponds to the amplified input signal.

Um die Belastung der einzelnen Verstärkerstufen gleichmässig zu verteilen, ist es vorteilhaft, für die meisten Verstärkerstufen die gleiche Ausgangsspannung zu wählen.In order to distribute the load of the individual amplifier stages evenly, it is advantageous to choose the same output voltage for most amplifier stages.

Darüberhinaus kann wenigstens eine Verstärkerstufe in weitere Unterstufen unterteilt werden, deren Ausgangsspannungen binär gewichtet sind und die von einem entsprechenden, binär codierten Signal der Ausspeicherschaltung 13 angesteuert werden. Auf diese Weise können die an der Diodenkaskade auftretenden Spannungsstufen und damit die verstärkerbedingte Welligkeit des Ausgangssignals verkleinert werden.In addition, at least one amplifier stage can be subdivided into further sub-stages, the output voltages of which are binary-weighted and which are driven by a corresponding, binary-coded signal from the memory circuit 13. In this way, the voltage levels occurring on the diode cascade and thus the ripple of the output signal due to the amplifier can be reduced.

Es versteht sich, dass der Transformator einfacherweise an eine technische Wechselspannungsquelle angeschlossen werden kann mit beispielsweise 220 V/50 Hz. Es ist aber auch möglich, einen Drehstromtransformator für 380 V/50 Hz zu verwenden. Im letzteren Fall bestehen die in Fig. l gezeigte Primär- und die Sekundärwicklungen aus drei Wicklungsteilen, und die Gleichrichtereinrichtung ist entsprechend als Dreiphasen-Gleichrichter ausgebildet.It goes without saying that the transformer can simply be connected to a technical AC voltage source can for example with 220 V / 50 Hz. But it is also possible to use a three-phase transformer for 380 V / 50 Hz. In the latter case, the primary and the secondary windings shown in FIG. 1 consist of three winding parts, and the rectifier device is accordingly designed as a three-phase rectifier.

Es versteht sich weiter, dass anstelle des gezeigten einen Transformators mit einer Primär- und einer Mehrzahl Sekundärwicklungen auch eine Mehrzahl Transformatoren mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung verwendet werden können.It goes without saying that, instead of the one transformer shown with a primary and a plurality of secondary windings, a plurality of transformers with a primary and a secondary winding each can also be used.

Um eine verbesserte Uebereinstimmung des Verlaufs des analogen Eingangssignals mit der Hüllkurve der über der Diodenkaskade addierten Gleichspannungen zu erreichen, kann dem A/D-Wandler 11 ein Rechenwerk nachgeschaltet werden, das die Differenz zwischen dem Momentanwert der Amplitude des analogen Eingangssignals und dem aus den Spannungsbereichen gebilderen nächstliegenden Digitalwert bestimmt und über die Ausspeicherschaltung 13 ein zusätzliches, zeitlich verzögertes Steuersignal erzeugt, wobei die zeitliche Verzögerung der bestimmten Differenz umgekehrt proportional ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei aufeinanderfolgenden Ausspeichertakten nur solche Ein- oder Ausschaltsignale erzeugt werden, die der inzwischen erfolgten Aenderung des analogen Eingangssignals entsprechen. Das ermöglicht, die Gesamtzahl der Schaltvorgänge und die damit verbundenen Schaltverluste ganz wesentlich zu verringern. Solche Betriebsarten sind in dem eingangs erwähnten CH-Patentgesuch beschrieben, weshalb auf deren ausführliche Diskussion verzichtet wird.To better match the course of the analog To achieve the input signal with the envelope of the DC voltages added across the diode cascade, the A / D converter 11 can be followed by an arithmetic unit which determines the difference between the instantaneous value of the amplitude of the analog input signal and the closest digital value formed from the voltage ranges and via the Withdrawal circuit 13 generates an additional, time-delayed control signal, the time delay of the determined difference being inversely proportional. It is particularly advantageous if only those switch-on or switch-off signals that correspond to the change in the analog input signal that has occurred in the meantime have been generated in the case of successive readout cycles. This enables the total number of switching operations and the associated switching losses to be significantly reduced. Such operating modes are described in the CH patent application mentioned at the outset, which is why their detailed discussion is dispensed with.

Damit die von den Verstärkerstufen erzeugten Spannungen längs der Diodenkaskade addiert werden können, darf nur eine Verstärkerstufe mit der Masseleitung verbunden sein. Jede der weiteren "schwimmenden" Verstärkerstufen liegt auf einer höheren Spannung, deren Wert veränderlich ist und von der Anzahl der eingeschalteten Verstärkerstufen und der Ordnungszahl der einzelnen Verstärkerstufe längs der Diodenkaskade abhängig ist. Demgegenüber weisen die von der Ausspeicherschaltung erzeugten Schaltsignale eine konstante Spannung gegen die Masseleitung auf, weshalb die Schaltsignale nicht direkt an die Schaltelemente geleitet werden können. Fig. 2 zeigt eine Verstärkerstufe 60 und eine als Fotokoppler 61 ausgebildete Anordnung zum galvanischen Trennen der Signalleitung vom Schaltelement. Die Verstärkerstufe enthält .. in Uebereinstimmung mit den Ausführungsformen gemäss der Fig. 1 eine Sekundärwicklung 63, einen Gleichrichter 64, eine Drossel 65, einen Glättungskondensator 66 und einen Schalter 67. Der Schalter ist ein Feldeffekttransistor, dessen Gate mit der Fotodiode 70 des Fotokopplers verbunden ist. Die Leuchtdiode 71 des Fotokopplers ist mit einer Signalleitung 72 verbunden. Damit auch bei grossen Spannungsunterschieden eine sichere Isolation zwischen der Leuchtdiode und der Fotodiode gewährleistet ist, kann zum Uebertragen des Lichts ein Faserlichtleiter 73 verwendet werden.So that the voltages generated by the amplifier stages can be added along the diode cascade, only one amplifier stage may be connected to the ground line. Each of the further "floating" amplifier stages is at a higher voltage, the value of which is variable and depends on the number of amplifier stages switched on and the order number of the individual amplifier stages along the diode cascade. In contrast, the switching signals generated by the latch circuit have a constant voltage against the ground line, which is why the switching signals cannot be passed directly to the switching elements. 2 shows an amplifier stage 60 and an arrangement designed as a photocoupler 61 for galvanically separating the signal line from the switching element. The amplifier stage contains .. in accordance with the embodiments according to FIG. 1 a secondary winding 63, a rectifier 64, ei ne choke 65, a smoothing capacitor 66 and a switch 67. The switch is a field effect transistor, the gate of which is connected to the photodiode 70 of the photocoupler. The light-emitting diode 71 of the photocoupler is connected to a signal line 72. In order to ensure reliable insulation between the light-emitting diode and the photodiode even in the event of large voltage differences, a fiber light guide 73 can be used to transmit the light.

Anstelle des gezeigten Feldeffekttransistors können auch andere Halbleiterbauelemente, beispielsweise ein Bipolartransistor, verwendet werden. Weiter kann zwischen der Fotodiode und dem Schalter ein Verstärker angeschlossen werden, wenn das Ausgangssignal der Fotodiode das direkte Steuern des Schalters nicht ermöglicht.Instead of the field effect transistor shown, other semiconductor components, for example a bipolar transistor, can also be used. Furthermore, an amplifier can be connected between the photodiode and the switch if the output signal of the photodiode does not allow direct control of the switch.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte einphasige Gleichrichterschaltung ist einfacherweise als Einweggleichrichtung ausgebildet. Es versteht sich, dass zum Vermindern des Rippels der Gleichspannung auch eine Mittelpunkt- bzw. Doppelwegschaltung oder eine Doppelweg-Grätzschaltung verwendet werden kann.The single-phase rectifier circuit shown in FIGS. 1 and 2 is simply designed as a one-way rectification. It goes without saying that a midpoint or double path circuit or a double path estimation circuit can also be used to reduce the ripple of the DC voltage.

Wird, wie weiter oben erwähnt, ein Dreiphasentransformator verwendet und enthält die Verstärkerstufe eine dreiteilige Sekundärwicklung, dann kann anstelle des ebenfalls erwähnten Dreiphasen-Brückengleichrichters auch eine Stern- oder Doppelstern-Gleichrichterschaltung verwendet werden.If, as mentioned above, a three-phase transformer is used and the amplifier stage contains a three-part secondary winding, then a star or double-star rectifier circuit can also be used instead of the three-phase bridge rectifier also mentioned.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Verstärkerstufe 80 gezeigt, deren Gleichrichtereinrichtung zur Spannungsverdopplung als Zweiweg-Gleichrichter ausgebildet ist. Dazu ist das eine Ende der Sekundärwicklung 81 über zwei antiparallel geschaltete Dioden 82, 83 und zugehörige Drosseln 84 bzw. 85 mit den einen Anschlüssen zweier Kondensatoren 87 bzw. 88 und das andere Ende der Sekundärwicklung direkt mit dem Verbindungspunkt 89 der anderen Anschlüsse der Kondensatoren verbunden. Der eine Anschluss jedes Kondensators ist weiter über ein Schaltelement 91 bzw. 92, und der Verbindungspunkt 89 der beiden anderen Kondensatoranschlüsse ist direkt an die Diodenkaskade 93 geführt, die zwischen den einzelnen Anschlüssen je eine Diode 94, 95 aufweist.3 shows a further embodiment of an amplifier stage 80, the rectifier device of which is designed as a two-way rectifier for voltage doubling. For this purpose, one end of the secondary winding 81 is connected via two diodes 82, 83 connected in anti-parallel and associated chokes 84 and 85 with one of the two capacitors 87 and 88 and the other end of the secondary winding directly connected to the connection point 89 of the other terminals of the capacitors. One connection of each capacitor is further connected via a switching element 91 or 92, and the connection point 89 of the other two capacitor connections is led directly to the diode cascade 93, which has a diode 94, 95 between the individual connections.

Die gezeigte einphasige Gleichrichtereinrichtung mit Zweiweggleichrichtung kann, wie die oben beschriebene Einrichtung mit Einweggleichrichtung, auch als Mittelpunktschaltung ausgeführt werden und für einen Dreiphasentransformator als Stern- oder Doppelstern-Gleichrichterschaltung.The single-phase rectifier device with two-way rectification shown, like the device with one-way rectification described above, can also be designed as a center circuit and for a three-phase transformer as a star or double star rectifier circuit.

Claims (9)

1. Schaltverstärker für analoge NF-Signale, mit einem A/D-Wandler, der das analoge NF-Signal in mindestens zwei Impulsfolgen wandelt, und mit mindestens zwei Verstärkerstufen, von denen jede einen Transformator enthält, dessen Primärwicklung mit einer Spannungsquelle und dessen Sekundärwicklung mit einer Diodenkaskade verbunden ist, und mindestens ein von der Impulsfolge-gesteuertes Schaltelement für den von der Spannungsquelle an die Diodenkaskade zu übertragenden Strom, sowie mit einem an die Diodenkaskade angeschlossenen Tiefpassfilter, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung(21) des Transformators (20) mit einer Wechselspannungsquelle (22) verbunden ist und die Verstärkerstufe (43, 44, 45) eine an die Sekundärwicklung (23, 24, 25) des Transformators angeschlossene Gleichrichterschaltung (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) enthält und das mindestens eine Schaltelement (39, 40, 41) zwischen einem Ausgang dieser Gleichrichterschaltung und der Diodenkaskade (47) angeschlossen ist.1. Switching amplifier for analog LF signals, with an A / D converter that converts the analog LF signal into at least two pulse trains, and with at least two amplifier stages, each of which contains a transformer, its primary winding with a voltage source and its secondary winding is connected to a diode cascade, and at least one switching element controlled by the pulse train for the current to be transmitted from the voltage source to the diode cascade, and to a low-pass filter connected to the diode cascade, characterized in that the primary winding (21) of the transformer (20) is connected to an AC voltage source (22) and the amplifier stage (43, 44, 45) has a rectifier circuit (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33,) connected to the secondary winding (23, 24, 25) of the transformer. 37) and the at least one switching element (39, 40, 41) is connected between an output of this rectifier circuit and the diode cascade (47) is. 2. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) zwei Ausgänge aufweist, von denen der eine über das Schaltelement (39, 40, 41) und der andere direkt an die Diodenkaskade (47) angeschlossen und zwischen den beiden Anschlusspunkten mindestens eine Diode (50, 49, 48) vorgesehen ist.2. Switch amplifier according to claim 1, characterized in that the rectifier circuit (27, 31, 35; 28, 32, 36; 29, 33, 37) has two outputs, one of which via the switching element (39, 40, 41) and the other is connected directly to the diode cascade (47) and at least one diode (50, 49, 48) is provided between the two connection points. 3. Schaltverstärker nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung drei Ausgänge aufweist, von denen zwei über ein Schaltelement (91, 92) und der dritte direkt an die Diodenkaskade (93) angeschlossen sind, die zwischen dem einen und dem dritten sowie zwischen dem dritten und dem anderen Anschlusspunkt mindestens eine Diode (94, 95) aufweist.3. Switching amplifier according to claim l, characterized in that the rectifier circuit has three outputs, two of which are connected via a switching element (91, 92) and the third directly to the diode cascade (93), which between the one and the third and between the third and the other connection point has at least one diode (94, 95). 4. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoren der Verstärkerstufen (43, 44, 45) zu einem Transformator (20) mit einer Primärwicklung (21) und einer der Anzahl der Verstärkerstufen (43, 44, 45) entsprechenden Zahl von Sekundärwicklungen (23, 24, 25) zusammengefasst sind.4. Switching amplifier according to claim 1, characterized in that the transformers of the amplifier stages (43, 44, 45) to a transformer (20) with a primary winding (21) and a number corresponding to the number of amplifier stages (43, 44, 45) Secondary windings (23, 24, 25) are combined. 5. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannungen der meisten Verstärkerstufen gleich sind.5. Switching amplifier according to claim 1, characterized in that the output voltages of most amplifier stages are the same. 6. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verstärkerstufe in Unterstufen unterteilt ist und die Ausgangsspannungen der Unterstufen binär gewichtet sind.6. Switching amplifier according to claim 1, characterized in that at least one amplifier stage is divided into sub-stages and the output voltages of the sub-stages are weighted in binary. 7. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum galvanischen Trennen der Steuerelektrode des Schaltelements (67) von der Steuerimpulsleitung (72) eine Einrichtung (71) zum Wandeln der elektrischen Steuerimpulse in optische Signale und eine weitere Einrichtung (70) zum Rückwandeln der optischen Signale in elektrische Steuerimpulse vorgesehen ist.7. Switching amplifier according to claim 1, characterized in that for the galvanic separation of the control electrode of the switching element (67) from the control pulse line (72), a device (71) for converting the electrical control pulses into optical signals and a further device (70) for converting back optical signals in electrical control pulses is provided. 8. Schaltverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der einen und der weiteren Einrichtung (71 bzw. 70) ein Lichtleiter (73) angeordnet ist.8. Switching amplifier according to claim 4, characterized in that between the one and the further device device (71 or 70) a light guide (73) is arranged. 9. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum galvanischen Trennen der Steuerelektrode der Schaltelemente von der Steuerimpulsleitung eine Einrichtung zum Wandeln der elektrischen Steuerimpulse in optische Signale und mit optischen Signalen steuerbare Schaltelemente vorgesehen sind.9. Switching amplifier according to claim 1, characterized in that a device for converting the electrical control pulses into optical signals and switching elements controllable with optical signals are provided for the galvanic separation of the control electrode of the switching elements from the control pulse line.
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